Население нашей планеты нуждается в постоянном использовании энергии, и данная потребность возрастает ежегодно. Что же касается традиционных природных запасов топлива, таких как: газ, нефть, уголь – то они невозобновляемы. Данные ресурсы естественно образовываются в недрах земли и накапливают энергию очень медленно, по сравнению с темпами их использования. А это значит, что существует жизненно важная необходимость перехода к новым источникам топлива, в противном же случае – энергетического кризиса, в не таком уж далеком будущем, не избежать [1].
Такая необходимость использования нетрадиционных ресурсов для получения энергии становится очень актуальна. И прежде всего это использование солнечной энергии, геотермальной и ветровой. Главным возобновляемым энергетическим ресурсом по объему ресурса, масштабам распространения и уровню экологической чистоты является энергия солнечной радиации. Поэтому для данного источника энергии необходимо разрабатывать, внедрять и оптимизировать инновации с целью извлечения максимального количества электрической энергии при минимизации энергопотребления.
Понятие инновации. Инновации – введенный в употребление новый или значительно улучшенный продукт (товар, услуга) или процесс, новый метод продаж или новый организационный метод в деловой практике, организации рабочих мест или во внешних связях [2].
Инновации – использование в той или иной сфере общества результатов интеллектуальной (научно-технической) деятельности, направленных на совершенствование процесса деятельности или его результатов [3].
Фотоэлектрический преобразователь. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) или, более привычное для всех название, солнечные батареи (Рис. 1) – преобразовывает излучение солнца в электрическую энергию. В ясный день на поверхность нашей планеты поступает приблизительно 110 Ватт световой энергии солнца на квадратный метр.
Рис. 1. Фотоэлектрический преобразователь
Один из наиболее распространённых видов ФЭП производят из монокристаллического кремния с КПД около 14 % [5]. Обычные солнечные батареи имеют КПД от 12 % до 20 % [4]. Средняя продолжительность работоспособности ФЭП более 20 лет. В Америке использую энергию солнца чуть менее 2 миллионов объектов. В год, в связи с использованием таких ФЭП, США экономит около 1500 МВт.
Принцип работы ФЭП. Применяют следующие способы преобразования солнечной энергии:
1. Преобразование энергии солнца в электроэнергию с помощью фотоэлектрических установок, используя метод прямого преобразования (наиболее распространенный).
2. Преобразование энергии солнца, с помощью термодинамических установок, сначала в тепловую энергию, далее в механическую, а в генераторе уже в электрическую.
Принцип действия кремниевого ФЭП. Полупроводниковые фотоэлектрические элементы работают на основе преобразования световой энергии солнечного излучения непосредственно в электричество (рис. 2).
Тонкая пластина состоит из двух слоев кремния с различными физическими свойствами. Внутренний слой представляет собой чистый монокристаллический кремний. Снаружи он покрыт очень тонким слоем «загрязненного» кремния, например с примесью фосфора. При попадании солнечных лучей, между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов, а во внешней цепи, соединяющей слои, появляется электрический ток. Соединив тысячи таких кристаллов, покрытых слоем металла, – фотоэлементов, образуется солнечная батарея. Максимальный ток вырабатывается при перпендикулярном расположении плоскости батареи по отношению к солнечным лучам. Это означает, что необходима постоянная ориентация батарей на Солнце. В темноте солнечные батареи не будут давать ток, поэтому их необходимо применять в сочетании с другим источником тока, например с аккумулятором. С одного квадратного метра современных солнечных батарей снимается мощность около 130-150 Вт. Чтобы получить мощность 4 кВт потребуется батарея, состоящая более чем из 100000 элементов и весом более 250 килограмм, которая будет занимать площадь более 35 квадратных метров.
Необходимо заниматься разработкой новых и модернизацией уже существующих ФЭП с системой слежения за Солнцем, а так же работать над увеличением КПД солнечной батареи.
Высокоэффективные солнечные энергоустановки с системой слежения за Солнцем (проект РОСНАНО) [5]. Цель данного проекта следующая: организация производства высокоэффективных солнечных фотоэнергоустановок (СФЭУ) на основе наногетероструктурных фотоэлектрических преобразователей и концентраторов солнечного излучения (Рис. 3) с системами слежения за положением Солнца.
Рис. 2. Схема работы кремниевого ФЭП
Рис. 3. Развитие технологий производства солнечных элементов
В концентраторных солнечных энергоустановках будут использованы каскадные солнечные элементы нового поколения (рис. 3) на основе наногетероструктур для фотоэлектрического преобразования концентрированного излучения, линзы, концентрирующие солнечную энергию до 900 крат, а также высокоточные системы слежения за Солнцем. Для производства каскадных солнечных фотоэлементов, использующихся в тандеме с концентраторами, будут реализованы модификации метода химического осаждения из газовой фазы различных полупроводниковых материалов на подложки из германия.
Один грамм полупроводника в каскадном солнечном фотопреобразователе, работающем при 1000-кратном концентрировании солнечного излучения в солнечной энергоустановке, эквивалентен по вырабатываемой электроэнергии пяти тоннам бензина [5].
Заключение. Идея создания и развития в России наиболее динамично развивающейся мировой высокотехнологичной отрасли – солнечной энергетики – с каждым годом приобретает все большую актуальность. На основании достижений науки есть полная уверенность в перспективе применения солнечной энергии в России.
Библиографическая ссылка
Черепанов Е.В. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С СИСТЕМОЙ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3-1. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14719 (дата обращения: 20.04.2024).